Воспроизведение современного климатического состояния экосистемы Ладожского озера

Предлагается трехмерная эко-гидродинамическая модель Ладожского озера, основанная на Санкт-Петербургской модели эвтрофикации Балтийского моря (SPBEM). В отличие от существующих моделей экосистемы Ладожского озера, предлагаемая модель реализована на сферической сетке высокого разрешения (шаг сетки по горизонтали ≈1 км), содержит модуль бентосного слоя и описывает циклы азота и фосфора в водной толще и донных отложениях. Выполнен расчет сезонной и межгодовой изменчивости состояния Ладожского озера в период 1979–2018 гг. при задании в качестве форсинга атмосферного воздействия и стока рек, впадающих в Ладожское озеро, для гидротермодинамического модуля и поступления биогенных элементов из атмосферы и с суши для биогеохимического модуля. Сравнение результатов расчета современного климатического состояния Ладожского озера с имеющимися данными спутниковых и экспедиционных наблюдений показало, что модель правильно воспроизводит климатический сезонный ход поля поверхностной температуры, её вертикальное распределение, средние значения и диапазон изменений основных характеристик экосистемы озера. Предложенная модель может быть использована для исследования влияния внешних естественных и антропогенных факторов на биогеохимические процессы и функционирование экосистемы Ладожского озера.

1. Di Toro D.M., Connolly J.P. Mathematical models of water quality in large lakes. Lake Erie eutrophication of waters: Monitoring. Assessment and control. Paris: OECD, 1982. 154 p.

2. Straskraba M., Gnauck A. Freshwater ecosystems. Modelling and simulation. Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1985. 309 p.

3. Mooij W.M., Trolle D., Arhonditsis G. et al. Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches // Aquatic Ecology. 2010. Vol. 44 (3). P. 633–667. doi:10.1007/s10452-010-9339-3

4. Zhang W., Watson S.B., Rao Y.R., et al. A linked hydrodynamic, water quality and algal biomass model for a large, multi-basin lake: A working management tool // Ecological Modelling. 2013. Vol. 269. P. 37–50. doi:10.1016/j.ecolmodel.2013.08.018

5. Scavia D., DePinto J.V., Bertani I. A multi-model approach to evaluating target phosphorus loads for Lake Erie // Journal of Great Lakes Research. 2016. Vol. 42 (6). P. 1139–1150. doi:10.1016/j.jglr.2016.09.007

6. Vinçon-Leite B., Casenave C. Modelling eutrophication in lake ecosystems: A review // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 651. P. 2985–3001. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.09.139

7. Ménesguen A., Lacroix G. Modelling the marine eutrophication: a review // Science of The Total Environment. 2018. Vol. 636. P. 339–354. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.04.183

8. Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. Модель экологической системы Ладожского озера // Современное состояние Ладожского озера / Под ред. Н.А. Петровой и Г.Ф. Растлепиной. Л.: Наука, 1987. C. 187–200.

9. Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., et al. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I. // Ecological Modelling. 2003. Vol. 165(1). P. 49–77. doi:10.1016/S0304-3800(03)00061-9

10. Астраханцев Г.П. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер / Г.П. Астраханцев, В.В. Меншуткин, Н.А. Петрова, Л.А. Руховец. СПб.: Наука, 2003. 363 с.

11. Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B., et.al. Mathematical modelling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem // Ecological Modelling. 1998. Vol. 107. P. 1–24. doi:10.1016/S0304-3800(97)00184-1

12. Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling / Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8

13. Современное состояние и проблемы антропогенной трансформации экосистемы Ладожского озера в условиях изменяющегося климата // Под редакцией С.А. Кондратьева, Ш.Р. Позднякова и В.А. Румянцева. М.: Изд. РАН, 2021. 640 с.

14. Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model // Journal of Marine Systems. 2002. Vol. 32(4). P. 253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8

15. Isaev A., Vladimirova O., Eremina T., et al. Accounting for dissolved organic nutrients in an SPBEM‐2 model: Validation and verification // Water. 2020. Vol. 12(5). P. 1307. doi:10.3390/w12051307

16. Рябченко В.А., Карлин Л.Н., Исаев А.В. и др. Модельные оценки эвтрофикации Балтийского моря в современном и будущем климате // Океанология. 2016. Т. 56, № 1. C. 41–50. doi:10.1134/S0001437016010161

17. Meier H.E.M., Edman M.K., Eilola K.J., et al. Assessment of eutrophication abatement scenarios for the Baltic Sea by multi-model ensemble simulations // Frontiers in Marine Science. 2018. Vol. 5. P. 440. doi:10.3389/fmars.2018.00440

18. Meier H.E.M., Edman M., Eiola K., et al. Assessment of uncertainties in scenario simulations of biogeochemical cycles in the Baltic Sea // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 6. P. 46. doi:10.3389/fmars.2019.00046

19. Исаев А.В., Савчук О.П., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть I: Межгодовая изменчивость и пространственное распределение // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 76–97. doi:10.59887/fpg/e1m2-63b5-rhvg

20. Савчук О.П., Исаев А.В., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть II: Сезонная динамика и пространственные особенности; интегральные потоки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 98–109. doi:10.59887/fpg/9mg5-run6-4zr8

21. Ладога / Под ред. В.А. Румянцева, С.А. Кондратьева. СПб.: Нестор-История, 2013. 468 с.

22. Patten B.S. Mathematical models of plankton production // Internationale Revue der gesamten Hydrobiologie und Hydrographie. 1968. Vol. 53. P. 357–408.

23. Modeling of Marine Systems / Nihoul, J.C.J. (Ed.). Amsterdam: Elsevier, 1975. 272 p.

24. Сергеев Ю.Н., Колодочка А.А., Круммель Х.Д. и др. Моделирование процессов переноса и трансформации вещества в море Л.: Издательство Ленинградского университета, 1979. 292 с.

25. Savchuk O., Wulff F. A model of the biogeochemical cycles of nitrogen and phosphorus in the Baltic. A systems analysis of the Baltic Sea / ed. Wulff F.V., Rahm L.A., Larsson P. Berlin: Heidelberg, Springer, 2001. P. 373–415. doi:10.1007/978-3-662-04453-7_14

26. Marshall J., Adcrof A., Hill C., et al. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5753–5766. doi:10.1029/96JC02775

27. Marshall J., Hill C., Perelman L., et al. Hydrostatic, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5733–5752. doi:10.1029/96JC02776

28. Pilcher D.J., McKinley G.A., Bootsma H.A., et al. Physical and biogeochemical mechanisms of internal carbon cycling in Lake Michigan // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, N 3. P. 2112–2128. doi:10.1002/2014JC010594

29. Gloege L., McKinley G.A., Mooney R.J., et al. Lake hydrodynamics intensify the potential impact of watershed pollutants on coastal ecosystem services // Environmental Research Letters IOP Publishing. 2020. Vol. 15, N 6. P. 064028. doi:10.1088/1748-9326/ab7f62

30. Bennington V., McKinley G.A., Kimura N., et al. General circulation of Lake Superior: Mean, variability, and trends from 1979 to 2006 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, N C12. doi:10.1029/2010JC006261

31. Gaspar P., Grégoris Y., Lefevre J.-M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing: Tests at station Papa and long-term upper ocean study site // Journal of Geophysical Research. 1990. Vol. 95(C9), P. 16179. doi:10.1029/JC095iC09p16179

32. Smagorinsky J., Manade S., Holloway J.I. Numerical results from a ninelevel general circulation model of the atmosphere // Monthly Weather Review Vol. 93. 1965. P. 727–768.

33. Кондратьев С.А., Ефремова Л.В., Расплетина Г.Ф., и др. Оценка внешней нагрузки на Ладожское озеро // Экологическая химия. 1997. Т. 6, № 2. С. 73–84.

34. Кондратьев С.А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. СПб.: Наука, 2007. 255 с.

35. Лозовик П.А., Галахина Н.Е., Кравченко И.Ю. Современное состояние водных объектов Карелии в результате воздействия природных, климатических и антропогенных факторов // Водное хозяйство России. 2017. № 3. С. 24–39.

36. Ефремова Л.В. Оценка атмосферной составляющей внешней нагрузки на Финский залив // Тез. докл. конф. «Экологические проблемы Севера Европейской территории России», Апатиты, 1996. С. 149–150.

37. Eilola K., Gustafsson B.G., Kuznetsov I., et. al. Evaluation of biogeochemical cycles in an ensemble of three state-of-the-art numerical models of the Baltic Sea // Journal of Marine Systems. 2011. Vol. 88. P. 267–284. doi:10.1016/j.jmarsys.2011.05.004.